Experimentální ověření CFD modelu vířivé výusti

Svůj nezanedbatelný význam má též v některých případech umístění odvodu vzduchu a také architektonické a dispoziční uspořádání. Skloubením těchto, mnohdy protichůdných faktorů, docílíme vhodného návrhu dle požadavků investora a zákonných předpisů.

Chování vzduchu ve větraném prostoru lze v dnešní době předpokládat pomocí různých návrhových softwarů publikovaných výrobci distribučních prvků, využitím fyzikálních výpočtů, či využitím zkušeností projektanta. Jako vhodný nástroj optimalizace návrhu nejen distribuce vzduchu se začíná využívat CFD (Computational Fluid Dynamics) simulací pomocí nejrůznějších CFD softwaru. Metoda představuje způsob, kterým lze za pomocí matematiky, fyziky a výpočetní techniky studovat děje probíhající při proudění tekutin. Podstatou této metody je přibližné numerické řešení soustavy parciálních diferenciálních rovnic, které matematicky popisují proudění. Jedná se o řešení rovnic zachování hybnosti, hmotnosti a energie. Při řešení se aplikují diskretizační metody, zejména pak metoda konečných objemů. Vhodným použitím takové simulace lze ještě před samotnou realizací projektu predikovat mikroklimatické veličiny.

Masové využití simulací je zatím bohužel omezováno vysokými nároky na výpočetní techniku a v neposlední řadě také relativně vysokou cenou licencí softwarů. Z těchto důvodů se simulací využívá především pro prostory atypické geometricky, provozně či technicky, kdy není jednoznačně možné využít experimentálních podkladů výrobců. Kromě zmiňovaných důvodů brání ještě dalšímu rozšiřování využití CFD simulací pro technickou praxi malá známost a důvěra v toto řešení z řad architektů a investorů.

Tento článek si klade za cíl rámcově informovat o jednom ze způsobů ověřování CFD modelu kontrolním měřením v reálném prostředí pro shodné okrajové podmínky. Experimentální ověřování má nejen význam ve validaci CFD simulace, ale lze jím také optimalizovat CFD model a tím urychlit a zjednodušit práci při řešení obdobných problémů v praxi. Závěry této práce mohou obecně přispět ke zvýšení důvěryhodnosti počítačových simulací u investorů a jsou také využitelné při řešení konkrétních projektů.

Pro účely této práce bylo nutné vytvořit model, který by umožňoval zkoumání sledovaného problému. Pomocí počítače a softwarových možností je možné vytvořit téměř jakýkoliv prostor, a proto se výběr modelu odvíjí od reálných možností. Pro práci je tedy jako model využita před časem dokončená laboratoř Ústavu technických zařízení budov fakulty stavební VUT v Brně. Tato laboratoř byla vybudována mimo jiné za účelem zkoumání proudění vzduchu vyvolaného různými distribučním prvky, které jsou v této laboratoři nainstalovány. Jedná se o místnost přibližně obdélníkového půdorysu. Tato místnost je vybavena různými distribučními elementy, z nichž byla pro tuto práci vybrána vířivá výusť Schako. Pro dotvoření modelu bylo potřeba v této místnosti pomocí drobných úprav doplnit plochu podhledu a vytvořit zástěnu, která nahrazuje překážku (v reálném prostředí např. stěna). Bez použití zástěny by nebylo možné vyloučit vliv odvodních prvků, geometrických překážek v blízkosti distribučního prvku, či okna, které by mohly deformovat obraz proudění Podrobnější informace o modelu dle obr. 1.

Obr. 1 - Schéma řešení modelu

Podmínky měření:

Podmínky měření:

• datum: 14.1. 2008
• izotermní stav
• cirkulační provoz VZT jednotky
• množství přiváděného vzduchu V_p= 600 m3/h
• množství odváděného vzduchu V_o= 600 m3/h
• teplota exteriéru: 4°C
• atmosférický tlak: 101,0 kPa
• relativní vlhkost vzduchu: 86,2 %

Měřící přístroje:

• základní jednotka - Testo 454
• záznamník pro shromažďování dat databus- Testo 454
• sonda pohody prostředí pro měření rychlosti a teploty - Testo
• třífunkční sonda pro současné měření teploty, vlhkosti a proudění s násuvnou hlavou - Testo

Měřený výrobek:

• vířivá výusť firmy Schako typ DQJA - SR - Z - 600x600

Metodika měření

Měření probíhalo za předpokladu přibližně ustálených podmínek v laboratoři TZB. Provoz VZT systému zajišťuje vzduchotechnická jednotka. Provoz jednotky je zapojen jako cirkulační. K přivádění vzduchu je využita pouze vířivá výusť Schako umístěna v podhledu uprostřed místnosti. Jako odváděcí otvory jsou využity čtyřhranné vyústky zabudované v podhledu po stranách místnosti. V laboratoři je umístěna zástěna, která nahrazuje překážku. Tato zástěna je umístěna tak, aby vířivá vyúsť byla uprostřed zástěny. Pro měření zkoumaných veličin je podstatná oblast s největšími gradienty sledovaných veličin. Proto je v oblasti pod podhledem a podél zástěny vytvořena síť měřících bodů viz obr. 2. V těchto bodech je postupně všesměrovými sondami měřena rychlost proudění vzduchu. Délka záznamu je 180s s periodou zápisu 2s, což odpovídá 90 hodnotám naměřeným v každém bodě. Použité sondy pro měření rychlosti proudění a intenzity turbulence svou konstrukcí neumožňují měření těsně u stropu či stěny a proto jsou měřící body nejblíže 55 mm od těchto ploch. Kontrola stacionárních podmínek je prováděna pomocí měření tří veličin v kontrolním bodě. Jedná se o měření relativní vlhkosti, rychlosti proudění a teploty multifunkční sondou. Kontrolní bod je umístěn ve výšce hlavy sedící osoby (1,2 m od podlahy pod středem výusti).

Obr. 2 - Svislý řez. Schéma umístění měřících bodů

Výsledky měření

Graf č. 1 - Průběh relativní vlhkosti a teploty vzduchu v kontrolním bodě v průběhu měření

Graf č. 2 - Průběh rychlosti proudění v kontrolním bodě

Měření v kontrolním bodě pomocí multifunkční sondy má prokázat, že během celého měření jsou přibližně ustálené podmínky. Relativní vlhkost se během celého měření pohybuje v rozmezí 34 36,5 %, teplota vzduchu v místnosti je od 23,1 23,6°C rychlost proudění se pohybuje v rozmezí 0 0,15 m/s. Z výše uvedených výsledků lze konstatovat, že měření probíhá za přibližně ustálených a izotermních podmínek. Proto je možné pomocí měření rychlostí v jednotlivých bodech postupně vytvořit obraz proudění sestavením naměřených hodnot do grafu.

Rychlost proudění vzduchu v libovolném bodě v prostoru kolísá s časem a je vhodné výchylky rychlosti zaznamenávat. Proud vzduchu lze popsat průměrnou rychlostí v_a, která je definována jako průměr rychlosti v nějakém časovém intervalu (doba měření) a směrodatné odchylky rychlosti SD dané rovnicí:

kde ν_ai je rychlost v čase "i" doby měření.

Intenzita turbulence TU proudícího vzduchu je definována jako směrodatná odchylka dělená průměrnou rychlostí a obvykle se vyjadřuje v procentech. Blíže [7].

Graf č. 3 - Rozložení rychlostí proudění ve svislém řezu

Tabulka č. 1 - Naměřené hodnoty rychlostí proudění v bodech měřící sítě

Graf č. 4 - Rozložení intenzity turbulence v řezu vyústkou (absolutní hodnota)

Po zpracování naměřených hodnot byl vytvořen plošný graf, který v našem případě představuje obraz proudění v místnosti vytvořený vířivou výustí. Rovina řezu prochází středem vířivé výusti. Nejvyšší rychlosti proudění se vyskytují na lamelách distribučního prvku a v jeho nejbližší blízkosti. S odstupem vzdálenosti tyto rychlosti postupně klesají. Většina přiváděného vzduchu po vniknutí do větraného prostoru vlivem Coandova efektu přilne ke stropu a dále proudí do místnosti podél stavební konstrukce. Po střetu se zástěnou se proud odkloní podél zástěny směrem dolů Protože přiváděný vzduch proudí relativně vysokou rychlostí od krajů výusti dochází k indukci vzduchu z místnosti pod středem výusti a k míšení přiváděného vzduchu se vzduchem z místnosti.

Popis počítačového modelu

Jako prostředek pro tvorbu počítačového modelu byl využit CFD software Flovent 6.1. Proudění je řešeno jako třírozměrné a stacionární. Počítačový model řešeného příkladu vychází z reálného modelu laboratoře, která byla dle podkladů a měření geometrie místnosti v programu vytvořena. V softwaru je možné vytvořit téměř jakýkoliv prostor, ovšem protože použitý software využívá síť složenou z pravoúhlých hranolů je potřeba veškeré zaoblené plochy a plochy nakloněné od souřadného systému nahradit jiným vhodným prvkem nebo rozložit na více prvků. V reálném prostředí se běžně vyskytuje mnoho geometrických prvků (nábytek, stavební konstrukce, nerovnosti...) a proto je důležité se zamyslet, jaký mají jednotlivé diskontinuity význam z hlediska celkové přesnosti řešení, a které lze zanedbat. V řešeném modelu se snažíme dosáhnout shody s reálným modelem a proto je většina těchto prvků zapracována do simulce. Zkoumaná oblast leží v prostoru ohraničeném zástěnou a podhledem. Zobrazení modelu laboratoře je znázorněno na obr. č. 3. Tento model a v něm aplikované zadání odpovídá zvoleným hodnotám v reálném modelu. Podstatou CFD softwaru je vypočet zkoumaných veličin v řešeném prostoru rozděleném na mnoho buněk. Pro přesnější výpočet je tedy vhodné v oblastech větších gradientů sledovaných veličin mřížku více zhustit. V našem případě je zhuštění provedeno v místech, kde proudění dosahuje nejvyšších rychlostí a to v prostoru zástěny a také pod odvodními vyústkami. Aby nedocházelo ke skokovým přechodům z oblastí s velkou hustotou do oblastí s menší hustotou mřížky (mohlo by vést k divergenci výpočtů) jsou v sousedství regionů s hustší mřížkou vytvořeny přechodové oblasti. Celkový počet buněk modelu je 1 514 000. Pro řešení tohoto modelu byl volen k- model turbulence.

Obr. 3 - Geometrie místnosti laboratoře proudění ústavu TZB v prostředí softwaru Flovent

Výstupy z počítačových simulací

Obr. 4 - Zobrazení rozložení rychlostí proudění v řezu vířivou výustít

Obr. 5 - Zobrazení rozložení rychlostí proudění v půdorysném pohledu ve výšce 2,42 m od podlahy
(odpovídá souřadnici y = 80 mm od stropu)

Obr. 6 - Zobrazení rozložení rychlostí proudění v půdorysném pohledu ve výšce 2,42 m od podlahy pomocí vektorů
(odpovídá souřadnici y = 80 mm od stropu)

Obr. 7 - Zobrazení rozložení rychlostí proudění v prostoru laboratoře pomocí trajektorií proudění vzduchu

Zjištěné poznatky

Zásadní význam spočívá v tvorbě modelového zpracování vířivé výusti. Program Flovent umožňuje dvě řešení. První možnost spočívá v nahrazení vířivé výusti blokem nazývaným v programu jako swirl. Jedná se o jednoduchý prvek základní nabídky v softwaru, do jehož dialogového okna lze definovat hlavní vlastnosti výusti (efektivní plocha, množství přiváděného vzduchu, vlastnosti přívodního vzduchu, úhel odklonu proudu od horizontální roviny a úhel odklonu od vertikální roviny). V tomto modelu ovšem nelze zohlednit nerovnoměrné rozložení efektivní plochy na čelní desce, což vede k nepříliš reálné simulaci jejího skutečného chování. Druhou možností je využití bloků. Tyto bloky jsou vlastně soustava šestnácti prvků zvaných fixed flow uspořádaných a definovaných tak, aby dokázaly podrobněji definovat rozložení efektivní plochy výústi.

Obr. 8 - Srovnání výsledků simulací při použití různých metod modelování vířivé výusti s kouřovou zkouškou

Na obrázku č. 8. lze porovnat výsledky simulace při použití zmiňovaných aplikací. Porovnáním výsledků obou simulací s měřením byla potvrzena pro náš příklad jako vhodnější metoda modelování vířivé výusti pomocí bloku se skupinou prvků fixed flow. Tento způsob modelování výusti respektuje přesněji rozložení efektivní plochy na čelní desce (viz obr. 9) a tím dokáže reálněji simulovat skutečné poměry za výustí. Blok využívá hybnostního modelu zadávání okrajových podmínek. Blíže [4]. Definování okrajových podmínek tohoto modelu výusti je komplikované a v dostupné literatuře nedostatečně popsané a bude předmětem našeho dalšího zkoumání.

Výsledek výpočtu zadaného modelu lze považovat za akceptovatelný po plném zkonvergování výpočtu, které nastalo po 1720 iterací. což při využití použité výpočetní techniky znamená výpočetní čas pro jednotlivé simulace 8 až 12 hodin. Tento čas by bylo možné zkrátit použitím menšího počtu prvků v modelu, což je vzhledem k požadavkům na přesnost nežádoucí, nebo využitím výkonnějšího počítače.

Obr. 9 - Řozdělení čelní desky pro tvorbu modelu vířivé výusti skupinou prvků fixed flow

Srovnání výsledků

Pro rychlejší porovnání výsledků je vytvořena tabulka č. 2, ve které jsou porovnány hodnoty rychlostí proudění vzduchu ve vybraných bodech zkoumaného svislého řezu.

Obr. 10 - Porovnání obrazů proudění dle použitých metod

Tabulka č. 2 - Srovnání výsledků ve vybraných bodech

Závěr

Článek se zabývá ověřováním CFD simulací distribuce vzduchu v místnosti. Cílem bylo vytvořit obraz proudění pomocí experimentálně zjištěných rychlostí v charakteristické rovině řezu místnosti, dále vytvořit variantní CFD simulace v softwaru Flovent a následně porovnat dosažené výsledky. Těchto cílů bylo úspěšně dosaženo. Po vyhodnocení posuzovaných variant CFD simulací můžeme konstatovat, že při použití vhodného modelu vířivé výusti lze dosáhnout dobré shody simulace v softwaru Flovent se skutečností.

Nejobtížnější část tvorby počítačového simulace proudění vzduchu v interiéru je postižení reálného účinku vířivé výusti vhodným modelem. Tvorba modelu výusti s využitím prvků fixed flow není v dostupné literatuře k softwaru Flovent dostatečně popsána. Další pozornost chceme tedy zaměřit na CFD simulace vířivé výusti s využitím velmi podrobného geometrického modelu v software Fluent a využití takto získaných výsledků k přesnějšímu definování výusti v softwaru Flovent a její následné experimentální ověření.

Poděkování

Článek byl vytvořen s podporou vnitřního grantu FAST VUT v Brně č. 188 s názvem "Verifikace výsledků CFD simulace laboratorním měřením" a grantovým fondem GRAFO VUT v Brně. Poděkování patří též firmě Klimakom spol. s r.o. za možnost využití softwaru Flovent a technickou podporu při experimentech.

Použitá literatura

[1] CHYSKÝ, Jaroslav, HEMZAL, Karel. Technický průvodce - větráni a klimatizace. 3. zcela přepracované vydání. Brno: Bolit-B press, 1993. 560 s. ISBN 80-901574-0-8.
[2] FLOVENT 6.1 (leden 2007), www.flovent.com
[3] JÍCHA, Miroslav. Počítačové modelování úloh vedení tepla a proudění. První vydání. Brno:Nakladatelství Vysokého učení technického, 1991. 121 s. ISBN 80-214-0364-0.
[4] SCHWARZER, Jan, TOTH, Luděk. 18. Konference klimatizace a větrání 2008. Příspěvek Modelování koncových prvků ve vzduchotechnice. Vydavatel: Společnost pro techniku prostředí, 2008. 361 str. ISBN 978-80-02-01978-7
[5] SZÉKYOVÁ, Marta, FERSTL, Karol, NOVÝ, Richard. Větrání a klimatizace. První české vydání. Jaga Group s.r.o., Bratislava 2006. 358 s. ISBN 80-8076-037-3.
[6] Projekční podklady firmy Schako, www.schako.de
[7] ČSN EN ISO 7726 - Ergonomie tepelného prostředí - Přístroje pro měření fyzikálních veličin